Напряжение-зависимые кальциевые каналы «считывают» электрические паттерны в эмбрионах для формирования хряща и кости
Учёные из Allen Discovery Center в Университете Тафтса и Гарвардской медицинской школы выяснили, как в случае формирования конечностей электрические паттерны, возникающие в эмбрионе, запускают каскад молекулярных изменений, кульминацией которых становится развитие хряща и кости. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), помогает ответить на центральный вопрос биологии развития: «Как незрелые клетки в развивающемся эмбрионе дифференцируются и организуются в тело?».
Предыдущие исследования показали существование замечательных электрических паттернов в развивающихся эмбрионах, некоторые из которых действуют как чертежи тканей и органов, которые в конечном итоге формируются по мере созревания эмбриона. Эти паттерны создаются клетками, которые перекачивают заряженные ионы через клеточную мембрану, создавая разность потенциалов на этом барьере. По аналогии с клетками нервной системы, мембранные потенциалы распространяются через электрические синапсы и позволяют клеткам общаться с соседями и координировать активность.
Новое исследование, проведённое на эмбрионах мышей и цыплят, демонстрирует, что напряжение-зависимый кальциевый канал (VGCC), встроенный в клеточную мембрану и активируемый напряжением для впуска ионов кальция (Ca2+) в клетку, запускает экспрессию генов, направляющих дифференцировку в зрелые клетки.
Известно, что напряжение-зависимые ионные каналы играют роль в формировании трахеального хряща, а мутации в VGCC также коррелируют с пороками развития у людей, включая синдактилию (сращение пальцев) у пациентов с синдромом Тимоти. Данное исследование указывает на роль VGCC в «считывании» биоэлектрических паттернов эмбриона для запуска генетического и белкового аппарата, необходимого для развития тела.
Исследователи изучили развивающиеся конечности эмбрионов мышей и цыплят и обнаружили, что, хотя зачаток конечности изначально гиперполяризован (снаружи клеток в 1000 раз больше ионов кальция, чем внутри), ядро растущей конечности становится деполяризованным по мере формирования хряща (ионы кальция поступают в клетки, нейтрализуя напряжение). Они выяснили, что деполяризация опосредована VGCC, которые позволяют ионам кальция поступать внутрь. Это, в свою очередь, активирует генетический фактор транскрипции NFATc1, который запускает экспрессию других генов, необходимых для дифференцировки в зрелые хрящевые клетки. Изученный канал Cav1.2 оказался необходимым для нормального формирования хряща, а NFATc1 подтвердил свою роль в стимулировании дифференцировки хрящевых клеток in vitro.
При более детальном изучении роли Cav1.2 исследователи обнаружили, что он в основном участвует на ранних стадиях дифференцировки клеток в хрящ. По словам учёных, другие VGCC могут быть задействованы на более поздних стадиях развития, а другие факторы транскрипции могут активироваться увеличением внутриклеточного кальция в процессе формирования хряща и кости.
«Ясно, что хотя мы и обнаружили важнейшую роль напряжение-зависимых кальциевых каналов в считывании биоэлектрического паттерна эмбриона, нам необходимо продолжать работу, чтобы понять роль множества различных ионных каналов и генетических факторов на всех стадиях развития», — сказал Клифф Табин.
«Мы только начинаем понимать, как «программное обеспечение» эмбрионального развития (электрические паттерны) создаётся и интерпретируется «аппаратным обеспечением» (генами и белками клеток), чтобы позволить клеткам сотрудничать и организовываться в высокоструктурированное тело», — сказал Майкл Левин.